[技术]衍射级次偏振态的研究 [复制链接]

光栅结构广泛应用于各种光学应用场景，如光谱仪、近眼显示系统、脉冲整形等。快速物理光学软件VirtualLab Fusion通过使用傅里叶模态方法(FMM，也称为RCWA)，为任意光栅结构的严格分析提供了通用和方便的工具。为此，复杂的一维或二维周期结构可以使用界面和调制介质进行配置，这允许任何类型的光栅形貌进行自由的配置。在此用例中，详细讨论了衍射级次的偏振态的研究。 o8Yq3N+  
mt~E&Z(A  
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Ibg~.>.u{  
任务说明 D$+g5u)  
#v; :K8  
U/-k'6=M  
"RTv[n!  
简要介绍衍射效率与偏振理论 45k.U$<|  
某个衍射级次（𝑛）的效率表示有多少的辐射功率被衍射到这个特定的级次中。它是由复数值瑞利系数计算出来的，瑞利系数包含了每个衍射级次（矢量）电磁场的全部信息。瑞利系数本身是由FMM对光栅的特征值问题进行严格分析的结果。 UF$O@l  
如果在TE/TM坐标系(CS)中给出瑞利系数，则可以计算衍射效率： -]t>'Q?  
h>F"GR?U_(  
其中，n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率，ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外，𝐴表示辐射光的振幅。 WIabQ_fX  
如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数，则必须应用以下方程： a$\Bt_  
R90#T6^  
因此，必须考虑所给出的瑞利系数的坐标系。默认情况下，光栅坐标系中为。 (3~^zwA  
9h/Hy aN  
光栅结构参数 gVrfZ&XF84  
研究了一种矩形光栅结构。 h_]*|[g  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 Y<
V$3h  
根据上述参数选择以下光栅参数： yb,X }"Et  
光栅周期：250 nm N>CNgUyP  
填充因子：0.5 SLRF\mh!L  
光栅高度：200 nm C80< L5\  
材料n_1：熔融石英（来自目录） >.I9S{7  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） Km,%p@`m  
5WvsS( 9H  
F]fXS-@ c  
|*DkriYY  
偏振态分析 |AT`(71  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 "dT"6,  
如前所述，瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 V(8,94vm  
为了接收瑞利系数作为检测器的结果，需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出，并选择所需的系数。 FmFjRYA W  
GaV}@Q  
0wCQPvO  
[jksOC)@4  
模拟光栅的偏振态 tfD7!N{  
=dsEt\ j  
yZN~
A:  
e)N<r  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息： MiR$N  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 wWSo+40  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 3@:O1i  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 &er,Wyc(  
8]oolA:^4s  
Passilly等人更深入的光栅案例。 IMBj
I#\  
Passilly等人的工作研究并优化了亚波长光栅下衍射光谱的偏振态，以获得不同状态之间的高度转换。 7t1as.  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 c&N;r|N  
<LzxnTx=  
z~==7:Os  
5S,Kq35$(  
光栅结构参数 <EQaYZY=  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 bWSc&/9y  
由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的，而且确实可以观察到：在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。 Fq_>}k@fI  
由于缺少关于制作结构的细节，我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 ;9~ WB X"  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 !dUdz7  
q]?)c  
3fA+{Y8S  
光栅#1——参数 1)jeawVmj  
假设侧壁倾斜为线性。 H=\Tse_.  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。
2W`WOBz  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 hlZ{bO'f  
光栅周期：250 nm <h;_:  
光栅高度：660 nm ,RM8D)m\  
填充因子：0.75（底部） k14<E/  
侧壁角度：±6° .6LRg  
n_1：1.46 tC(MaI  
n_2：2.08 N{~P}Sw  
Qc)i?Z'6  
Jm#p!G+  
O!^ >YvOh  
光栅#1——结果 J3~%9MCJ  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 '=%`;?j  
与参考文献相比，仿真中光栅结构进行了简化，存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据，这种简化是必要的。 j*[P\Cm  
wu><a!3`=o  
   93:oXyFjD  
\uZ|2WG`  
光栅#2——参数 !icI Rqcf=  
假设光栅为矩形。
?Z_T3/ f  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 o ABrhK  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 ^1vKhO+p$  
光栅周期：250 nm LMx/0  
光栅高度：490 nm Yh!=mW!OY  
填充因子：0.5 lS#:u-k  
n_1：1.46 vd(S&&]o1  
n_2：2.08 c;Tp_e@  
*9uNM@7&0  
~*"ZF-c
,  
('Qq"cn#
 
光栅#2——结果
$5.52  
这两幅图对比之下再次显示出非常好的匹配度，特别是图表的趋势。 h#KSKKNW  
与参考文献相比，仿真中光栅结构进行了简化，存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据，这种简化是必要的。 c61OT@dZEA  
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